Wir entwickeln Simulations- und Konstruktionsmethoden für leistungsstarke und langlebige Brennstoffzellensysteme. Damit ebnen wir den Weg für wasserstoffbasierte Antriebssysteme für eine klimaneutrale Luftfahrt und beschleunigen den industriellen Ausbau.

Mit Q2Fly schließen wir eine wichtige technologische Lücke im Bereich der nachhaltigen Luftfahrt: Bislang fehlten leistungsfähige Methoden, um Ladungstransportmechanismen und katalytische Prozesse in Brennstoffzellen unter realistischen Betriebsbedingungen effizient zu simulieren und anhand dieser Simulationen geeignete Materialien zu identifizieren. Q2Fly kombiniert hardwareoptimierte Quantensimulation mit KI-gestützter Quantenoptimierung und legt damit den Grundstein für eine systematische, schnellere und ressourceneffizientere Materialentwicklung für langlebige, leistungsstarke Brennstoffzellen in der Luftfahrt.

Motivation

Mit Q2Fly wollen wir die Entwicklung von Hochleistungs-Brennstoffzellenmaterialien für eine dekarbonisierte Luftfahrt vorantreiben. Zu diesem Zweck nutzen wir Quantenalgorithmen, um relevante mikroskopische Transportprozesse unter elektrochemischen Bedingungen zu simulieren, die denen im Betrieb sehr ähnlich sind. So können wir die Vorgänge im Material besser verstehen und neue Materialien gezielter entwickeln. Wir nutzen bewusst das der heutigen Quantenhardware innewohnende Rauschen, um Wechselwirkungen mit der Umgebung des Materials zu modellieren – und verwandeln so eine technische Einschränkung in eine Ressource.

Wir kombinieren diese Simulationen mit datengestützten Methoden des inversen Designs und der Optimierung. Auf diese Weise verbessern wir gleichzeitig die Eigenschaften der in Frage kommenden Materialien hinsichtlich Aktivität, Transport, Stabilität, Kosten und Verfügbarkeit. Damit haben wir erstmals Quantensimulationen mit datengestütztem Materialdesign kombiniert. So ermöglichen wir eine realistische, multikriterielle Materialoptimierung auf Quantenhardware.

Herausforderung

Mit Q2Fly wollen wir neue Brennstoffzellenmaterialien schneller und gezielter entwickeln. Dazu kombinieren wir Quantensimulation, KI-gestütztes aktives Lernen und Quantenoptimierung. Ziel ist es, ein besseres Verständnis komplexer Ladungstransportprozesse zu erlangen und vielversprechende Kandidaten gezielt aus großen Materialentwurfsräumen zu identifizieren. Auf diese Weise wollen wir experimentelles Ausprobieren durch daten- und physikbasiertes Materialdesign ergänzen.

Dabei verbinden wir die Fachkompetenz des DLR in den Bereichen Brennstoffzellen und Quantensimulation mit der praktischen Erfahrung von H2Fly bei der Entwicklung und Erprobung von wasserstoffbetriebenen Flugzeugsystemen. Über das DLR QCI setzen wir die entwickelten Methoden auf leistungsstarker Quantenhardware um.

Impact

Mit Q2Fly schlagen wir eine Brücke zwischen verfügbarer Quantenhardware und einer Anwendung von industrieller Relevanz: der Materialentwicklung für wasserstoffbasierte Brennstoffzellen. Damit erhält das DLR QCI einen konkreten Anwendungsfall, der die Vorteile des Quantencomputings auf realer Hardware und den Technologietransfer in die Industrie verdeutlicht. Gleichzeitig werden übertragbare Methoden für die Material- und Molekülsimulation sowie für die Quantenoptimierung entwickelt, wodurch Fachwissen für ein europäisches Quantencomputing-Ökosystem generiert wird.